(57)【要約】【課題】熱電素子を利用した発電モジュールにおいて、熱電素子の放熱側を効率的に冷却して発電効率を向上させるとともに、シンプルな構造としてコストダウンを図る。【解決手段】発電モジュール１０は、熱電素子１１の放熱面に、金属板１２と多孔質セラミックス１３が順次積層された構成とされている。金属板１１には導水管１５が接続されており、導水管１５の途中には、熱電素子１１の受熱面の温度に応じて開閉するサーモバルブ１４が設置されている。金属板１２の表面には、導水管１５を起点とする複数の導水溝が張り巡らされており、各導水溝の末端には、金属板１２を板厚方向に貫通する貫通孔が設けられている。本発電モジュール１０では、金属板１２に形成された導水溝および貫通孔を介して多孔質セラミックス１３に水Ｗを供給し、多孔質セラミックス１３に浸透した水Ｗが気化する際に奪う気化熱Ｖを利用して熱電素子１１の放熱面を冷却する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面を受熱面とし、他方の面を放熱面とする熱電素子の放熱面に、金属板を介して多孔質セラミックスが配されてなり、
前記多孔質セラミックスに水を供給するための導水溝および貫通孔が前記金属板に形成されていることを特徴とする発電モジュール。
【請求項２】
前記熱電素子の受熱面に、太陽電池が配されていることを特徴とする請求項１に記載の発電モジュール。
【請求項３】
前記太陽電池と前記熱電素子との間に蓄熱材が介装されていることを特徴とする請求項２に記載の発電モジュール。
【請求項４】
前記導水溝に水を供給する導水路の途中に、前記熱電素子および／または前記太陽電池の表面温度に応じて開閉するサーモバルブが設置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の発電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電素子を利用した発電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の大量消費に伴って発生する二酸化炭素の増大に起因する地球温暖化が問題となっている。また一方では、エネルギー消費の増加は、これからも地球規模で確実であり、化石燃料の長年の大量消費によって今世紀中に化石燃料が枯渇することが予測されている。このため、環境への負荷が小さい新エネルギーを開発して、限りある資源の持続的有効利用を図ると同時に、地球温暖化を防止する必要がある。
【０００３】
例えば、特許文献１では、太陽電池素子の背面に蓄熱手段を介して熱電変換素子が配置された太陽光発電モジュールが提案されている。この太陽光発電モジュールによれば、太陽電池素子によって変換されなかったエネルギーを太陽電池素子から蓄熱手段に一旦、熱エネルギーの形で蓄積し、熱エネルギーを徐々に熱電変換していくことによって、太陽電池素子の実効的な変換効率の低下を抑制することができる。ここで、熱電変換素子とは、素子の両面に発生した温度差に応じた起電力を発生する素子であり、特許文献１では、熱電変換素子の両面温度差を極力大きくするため、熱電変換素子の放熱面にアルミニウムからなるヒートシンクが取り付けられている。
【０００４】
また、特許文献２では、太陽電池パネルと、太陽電池パネルの裏面に付設する熱発電素子と、熱発電素子の放熱側を冷却する冷却ユニットとを備えてなる太陽発電装置が開示されている。冷却ユニットは、温水タンクと、熱発電素子の放熱側に密着させる冷却パネルとを循環路で接続したものであり、水を冷媒としている。
【０００５】
しかしながら、特許文献１の発明では、熱電変換素子の冷却手段が空冷方式であるため、熱電変換素子の両面温度差がさほど大きくならず、発電効率が低いという問題がある。
また、特許文献２の発明では、熱発電素子の冷却手段として水冷方式を採用しているため、特許文献１の発明に比べて発電効率が向上するが、冷媒を循環させる必要があるため、発電装置が複雑になり、コストが掛かるという問題がある。
そこで、特許文献３では、太陽電池モジュール本体の裏面保護フィルムの裏面に合成繊維製の蒸発式冷却体を取り付けた発明が提案されている。この発明では、太陽電池モジュール本体の下端部に雨水を冷却用水として貯留する貯水部を取り付け、蒸発式冷却体の下端部を冷却用水に浸漬しておく。これにより、冷却用水が合成繊維製の蒸発式冷却体にしみ込み、太陽熱で昇温された太陽電池モジュール本体から気化熱を奪いながら蒸発式冷却体より水が蒸発し、太陽電池モジュール本体を冷却する。
【特許文献１】特開２００３−７０２７３号公報
【特許文献２】特開平１１−２８９７８３号公報
【特許文献３】特開２０００−２２１９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献３に記載された発明の場合、毛細管現象を利用しているため、吸い上げ高さに限界があるうえ、蒸発式冷却体として合成繊維を使用しているため、吸放湿性能が低く、太陽電池モジュール本体を冷却するに足りる十分な気化熱が得られないという問題がある。また、雨水を冷却用水として使用するため、雨水タンク自体が暖められて効果が低下するうえ、長期間、雨が降らない場合には、冷却用水が枯渇してしまうおそれがある。加えて、粉塵等で、吸い上げができなくなることも考えられる。
【０００７】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、熱電素子を利用した発電モジュールにおいて、熱電素子の放熱側を効率的に冷却して発電効率を向上させるとともに、シンプルな構造としてコストダウンを図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係る発電モジュールは、一方の面を受熱面とし、他方の面を放熱面とする熱電素子の放熱面に、金属板を介して多孔質セラミックスが配されてなり、前記多孔質セラミックスに水を供給するための導水溝および貫通孔が前記金属板に形成されていることを特徴としている。
【０００９】
本発明は、金属板に形成された導水溝を経由して貫通孔から多孔質セラミックスに水を供給し、多孔質セラミックスに浸透した水が気化する際に奪う気化熱を利用して、熱電素子の放熱面を冷却するものである。多孔質セラミックスは、内部に無数の微細な孔を有するセラミックスであり、吸放湿性能に優れているため、熱電素子を冷却するに足りる適度な水を多孔質セラミックスの内部に含浸させることができる。加えて、本発明では、水を循環させる必要がないので、構造がシンプルとなり、コストを低く抑えることができる。
【００１０】
また、本発明に係る発電モジュールでは、前記熱電素子の受熱面に、太陽電池が配されていてもよい。
本発明では、熱電素子の受熱面に太陽電池を配することで、太陽熱だけでなく太陽光も発電に利用することができるうえ、太陽電池から発生する熱によって熱電素子の受熱面が、より高温となるため、熱電素子の受熱面と放熱面との間の温度差が拡大し、発電効率がさらに向上する。一方、太陽電池から熱電素子に熱流が移動するので、温度上昇に伴って発生する、光から電気への変換効率の低下が抑制される効果もある。
【００１１】
また、本発明に係る発電モジュールでは、前記太陽電池と前記熱電素子との間に蓄熱材が介装されていてもよい。
本発明では、太陽電池から発生する熱を一旦、蓄熱材に蓄熱しておくことで、熱電素子の受熱面と放熱面との間の温度差を生じせしめる時間を延長させることが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係る発電モジュールでは、前記導水溝に水を供給する導水路の途中に、前記熱電素子および／または前記太陽電池の表面温度に応じて開閉するサーモバルブが設置されていることが好ましい。
本発明は、熱電素子および／または太陽電池の表面温度が設定温度を超えた場合に、サーモバルブを開いて導水溝に水を供給し、熱電素子および／または太陽電池の表面温度が設定温度以下になった場合に、サーモバルブを閉じて水の供給を停止するものであり、水を浪費せずに効率的に使用することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る発電モジュールは、金属板に形成された導水溝を経由して貫通孔から多孔質セラミックスに水を供給し、多孔質セラミックスに浸透した水が気化する際に奪う気化熱を利用して、熱電素子の放熱面を冷却するものであり、吸放湿性能に優れている多孔質セラミックスの特性を利用して、熱電素子を冷却するに足りる適度な水を多孔質セラミックスの内部に含浸させることができる。また、本発明では、水を循環させる必要がないので、構造がシンプルとなり、コストを低く抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る発電モジュールの実施形態の一例を示したものである。
本実施形態における発電モジュール１０は、熱電素子１１の放熱面に、金属板１２と多孔質セラミックス１３が順次積層された構成とされている。金属板１２には導水管１５（導水路）が接続されており、導水管１５の途中には、熱電素子１１の受熱面の温度に応じて開閉するサーモバルブ１４が設置されている。
【００１５】
熱電素子は、熱と電気を関係付ける現象を利用した素子の総称であり、電気抵抗の温度変化を利用した素子（サーミスター）、温度差により起電力が発生する現象（ゼーベック効果）を利用した熱発電素子、電流により発熱と吸熱が起こる現象（ペルチェ効果）を利用した電子冷却素子がある。本発明では、熱発電素子を熱電素子１１として使用する。熱電素子１１は板状とされ、一方の面を受熱面、他方の面を放熱面として、受熱面と放熱面の温度差に応じた起電力を発生する。
【００１６】
多孔質セラミックスは、内部に無数の微細な孔が形成されたセラミックスであり、吸放湿性能に優れている。本多孔質セラミックス１３は板状とされ、熱電素子１１の冷却手段として機能する。
【００１７】
金属板１２は、熱伝導率が高く、腐食しにくい金属であればよく、アルミニウムなどが好適である。図２に示すように、金属板１２の表面には、導水管１５を起点とする複数の導水溝１２ａ…が金属板１２を覆うように張り巡らされており、各導水溝１２ａの末端には、金属板１２を板厚方向に貫通する貫通孔１２ｂが設けられている。導水管１５から供給された水Ｗは、金属板１２に形成された導水溝１２ａおよび貫通孔１２ｂを経由することで、多孔質セラミックス１３に均一に浸透する。
【００１８】
サーモバルブ１４は、温度に応じて膨張・収縮する熱応動素子が封入された感温部１４ａと当該感温部１４ａに一方の端部が連結された弁軸１４ｂから構成されており、弁軸１４ｂの先端には円盤状の弁体１４ｃが取り付けられている（図３参照）。図１に示すように、サーモバルブ１４の感温部１４ａと熱電素子１１の受熱面とは、伝熱部材１６で接続されており、熱電素子１１の受熱面の温度に応じて弁軸１４ｂが伸縮する。
熱電素子１１の受熱面の温度が設定温度以下の場合、導水管１５内に設けられた隔壁１７の開口部１７ａをサーモバルブ１４の弁体１４ｃが塞いでいるため、隔壁１７を越えて水Ｗが金属板１２に流れることはない（図３（ａ）参照）。
一方、熱電素子１１の受熱面の温度が設定温度を超えた場合には、サーモバルブ１４の感温部１４ａに封入された熱応動素子が膨張して、弁軸１４ｂが伸張する。これにより、隔壁１７の開口部１７ａが開口し、隔壁１７を越えて水Ｗが金属板１２に流れるようになる（図３（ｂ）参照）。
【００１９】
次に、上記構成を有する本発電モジュール１０の動作について説明する。
自動車の排気系統やプラント、ボイラーなどを熱源とし、熱源からの放射熱Ｈにより、熱電素子１１の受熱面の温度が上昇する。受熱面の温度が設定温度を超えると、導水管１５の途中に設置したサーモバルブ１４が開き、導水管１５によって供給された水Ｗは、金属板１２に形成された導水溝１２ａから貫通孔１２ｂを経由して多孔質セラミックス１３に浸透する。多孔質セラミックス１３に浸透した水Ｗは気化して大気中へ放出されるが、この際に多孔質セラミックス１３から気化熱Ｖを奪っていく。その結果、熱電素子１１の放熱側が冷却され、熱電素子１１の受熱面と放熱面との間に大きな温度差が生じ、熱電素子１１内に起電力が発生する。
一方、受熱面の温度が設定温度より低い場合は、サーモバルブ１４が閉じているため、不必要な水Ｗが多孔質セラミックス１３に供給されることはない。
【００２０】
本実施形態による発電モジュール１０は、金属板１２に形成された導水溝１２ａを経由して貫通孔１２ｂから多孔質セラミックス１３に水Ｗを供給し、多孔質セラミックス１３に浸透した水Ｗが気化する際に奪う気化熱Ｖを利用して、熱電素子１１の放熱面を冷却するものであり、吸放湿性能に優れている多孔質セラミックス１３の特性を利用して、熱電素子１１を冷却するに足りる適度な水Ｗを多孔質セラミックス１３の内部に含浸させることができる。また、水Ｗを循環させる必要がなく、機器を制御する制御装置も不要なので、構造がシンプルとなり、コストを低く抑えることができる。
【００２１】
次に、本発明に係る発電モジュールの他の実施形態について説明する。
本発明に係る発電モジュールの他の実施形態を示す分解斜視図を図４に、その側断面図を図５にそれぞれ示す。
本実施形態における発電モジュール２０は、太陽電池２８の裏面に、熱電素子２１、金属板２２、多孔質セラミックス２３を順次積層した構成とされ、建物の屋根に設置される。発電モジュール２０は、屋根面１の傾斜方向に沿って設置された縦材２上に固定し、発電モジュール２０と屋根面１との間には、通気路となる空気層２９を設ける。
また、縦材２と直交する方向に配設された横材３内には、導水管２５（導水路）が挿通され、導水管２５の途中にはサーモバルブ２４が設置されている。
【００２２】
太陽電池２８は、光起電力効果を利用し、光エネルギーを直接電力に変換する電力機器である。ｐ型とｎ型の半導体を接合した構造を持つ太陽電池が一般的であるが、その他にも色素増感型（有機太陽電池）と呼ばれる太陽電池がある。
【００２３】
金属板２２は、表面に導水溝２２ａが形成された第一の金属板２２ｃと、導水溝２２ａを覆う第二の金属板２２ｄから形成されている。全ての導水溝２２ａは導水管２５を起点とし、末端には第一の金属板２２ｃを貫通する貫通孔２２ｂが形成されている。
【００２４】
太陽電池２８の受光面とサーモバルブ２４とは伝熱部材２６で接続されており、太陽電池２８の受光面の温度に応じてサーモバルブ２４が開閉するようになっている。図６は、屋根に設置した太陽電池２８の表面温度の変化を示したグラフであるが、この図を用いてサーモバルブ２４の開閉制御について説明する。なお、以下の説明における設定温度は一例であって、環境その他の条件を考慮して設定すべきものである。また、サーモバルブ２４を全開にした際に供給過多とならないように、全開状態における適切な供給量を予め設定しておく必要がある。
受光面の温度が時間の経過とともに上昇している場合は、受光面の温度が４０℃になった時点Ｐで、サーモバルブ２４を開き始め、受光面の温度が５０℃に達した時点Ｑでサーモバルブ２４が全開となるようにする。一方、受光面の温度が下降している場合は、受光面の温度が５０℃になった時点Ｒで、サーモバルブ２４を閉じ始め、受光面の温度が４０℃に達した時点Ｓでサーモバルブ２４が全閉となるようにする。
【００２５】
本実施形態による発電モジュールでは、熱電素子２１の受熱面に太陽電池２８を配することで、太陽熱だけでなく太陽光も発電に利用することができる。また、太陽電池２８から発生する熱によって熱電素子２１の受熱面が、より高温となるため、熱電素子２１の受熱面と放熱面との間の温度差が拡大し、発電効率がさらに向上する。一方、太陽電池２８から熱電素子２１に熱流が移動するので、温度上昇に伴って発生する、光から電気への変換効率の低下が抑制される効果もある。
【００２６】
なお、太陽電池２８と熱電素子２１との間に蓄熱材（図示省略）が介装されていてもよく、太陽電池２８から発生する熱を一旦、蓄熱材に蓄熱しておくことで、熱電素子２１の受熱面と放熱面との間の温度差を生じせしめる時間を延長させることが可能となる。
蓄熱材としては、例えば、蓄熱式床暖房などで使用されている蓄熱材を使用することができる。ぼう硝系の硫酸ナトリウム１０水和塩を主成分とする蓄熱材の場合、２８℃以下になると凝固して潜熱発熱を起こし、３１℃以上になると融解して熱を吸収する。蓄熱性能に非常に優れ、顕熱蓄熱のコンクリートの２０倍以上の蓄熱能力をもっているとされている。
【００２７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。要は、本発明において所期の機能が得られればよいのである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る発電モジュールの実施形態の一例を示す模式図である。
【図２】金属板の表面の部分斜視図である。
【図３】（ａ）は低温時、（ｂ）は高温時におけるサーモバルブの状態を示した模式図である。
【図４】本発明に係る発電モジュールの他の実施形態を示す分解斜視図である。
【図５】同、側断面図である。
【図６】屋根に設置した太陽電池表面の温度変化を示したグラフである。
【符号の説明】
【００２９】
１  屋根面
２  縦材
３  横材
１０、２０  発電モジュール
１１、２１  熱電素子
１２、２２、２２ｃ、２２ｄ  金属板
１２ａ、２２ａ  導水溝
１２ｂ、２２ｂ  貫通孔
１３、２３  多孔質セラミックス
１４、２４  サーモバルブ
１４ａ  感温部
１４ｂ  弁軸
１４ｃ  弁体
１５、２５  導水管（導水路）
１６、２６  伝熱部材
１７  隔壁
１７ａ  開口部
２８  太陽電池
２９  空気層
Ｈ  放射熱
Ｖ  気化熱
Ｗ  水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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